光伏组件的概述及建模与仿真

第二章光伏组件的概述及建模与仿真2.1光伏组件的概念“光伏组件”(也叫太阳能电池板)是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，并送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。但是，随着微型逆变器的使用，可以直接把光伏组件的电流源转化成为40V左右的电压源，就可以驱动电器应用我们的生活当中。太阳电池组件是由高效晶体硅太阳能电池片、超白布纹钢化玻璃、EVA、透明TPT背板以及铝合金边框组成。具有使用寿命长，机械抗压外力强等特点。太阳能电池常规组件的结构形式有下列几种，玻璃壳体式结构、底盒式组件、平板式组件、无盖板的全胶密封组件。图2-1太阳能电池组件结构示意图其发电原理是“\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%BB%84%E4%BB%B6/_blank"光生伏打效应”，也就是正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流，太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的使用效率下降。图2-1太阳能电池组件结构示意图2.2光伏组件的常见故障分析常见的光伏组件故障类型主要分为以下几种：组件老化、组件短路、组件断路、热斑效应、组件裂化和潜在电势诱导衰减现象等。产生这些故障的原因分析如下：光伏组件老化:由于大型光伏电站一般都处于高海拔的偏远地区，光伏阵列周围的气候条件比较恶劣，太阳能电池板会不断经历暴晒、刮风、下雨和下雪等天气，光伏组件长期工作在这样恶劣的环境下，其发电性能难免会受到影响，可能会减少发电功率，降低整个发电系统的发电效率。光伏组件的这种现象称为老化。有时老化也会指光伏阵列线路的老化。老化对于任何一个光伏组件来说都是不可避免的现象，只不过因为所处环境的不同，光伏组件的老化速度也会不同。光伏组件所处环境越恶劣，老化速度就越快。主要是指太阳能电池本身的短路。在太阳能电池生产过程中，使用的绝缘材料可能会受到损坏，那么电极的接触就会使得短路。模块短路故障在出厂检验中容易被检测出来，而在运行中的光伏电站中并不常见。组件开路：通常分为太阳能电池开路和光伏组件开路。太阳能电池是开路的，主要是指内部电池连接线断裂，在检测过程中容易被检测到。模块间断路是指光伏模块之间的连接线断开。此时，整个光伏组件串处于故障状态。一般来说，光伏发电厂都有针对这种故障的检测和报警机制。热斑现象：致使热斑效应出现的原因主要是由于当光伏组件串受到遮挡或其他因素影响时，组件间出现了失配现象。这时被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。组件裂化：为了密封光伏电池板，通常在其表面安装玻璃保护膜。如果保护膜在外力或其他因素的影响下断裂，光伏组件内部将易受腐蚀，特别是在雨天，会引起短路事故，影响光伏组件的使用寿命。光伏组件也存在隐裂的情况。当光伏组件受到较大的机械应力或热应力时，电池单元中可能会出现肉眼不易发现的隐藏裂纹。根据隐蔽裂缝的不同形态，可分为树状裂缝、综合裂缝、斜纹裂缝、平行于主网格线、垂直于网格线和贯穿整个电池片的裂纹。当光伏组件隐裂严重时，会造成大量的功率损失。光伏潜在电势诱导衰减现象（PotentialInducedDegradation）：在长期高压作用下，玻璃与封装材料之间存在漏电流，大量电荷聚集在光伏电池表面，使电池表面钝化效果恶化，最终导致光伏组件输出功率显著降低，使光伏组件的性能低于设计标准。PID现象常发生在早晨水雾时或者下过雨后，这种现象可以恢复。当部件表面干燥时，PID现象消失，不会造成永久性损坏。2.3光伏组件的原理分析与建模光伏阵列是利用光生伏打效应将太阳能转化为电能的。其原理与二极管相似：当太阳光照射到光伏阵列时，半导体内部的价电子脱离共价键的束缚，形成电子—空穴对，于是在PN结两端形成电动势，当外接负载时，就有电能输出。图2-2图2-2光伏阵列等效电路图图2-2是光伏阵列的等效电路图。它由理想电流源Iph、并联二极管D、并联电阻Rsh和串联电阻Rs组成。其中Iph的大小受光伏阵列所处的外部环境如光照强度、温度等的影响。根据图2.1的光伏阵列等效电路图可以得出光伏阵列的I—U特性方程式：其中，此外，各个量的含义为：IPV——光伏阵列输出电流；Iph——光生电流；ID——二极管电流；Ish——光伏阵列漏电流；ISCR——标准测试条件下（光伏电池温度25°，光照强度1000W/m2）光伏阵列短路电流；Kt——短路电流的温度系数；λ——光照强度；I0——二极管饱和电流；q——电子电荷；（l.6×10-19C）UPV——光伏阵列输出电压；A——PN结理想因子；K——玻耳兹曼常量；(1.38×10-23J/K)T——太阳能表面绝对温度，25摄氏度为298K我们还需要了解光伏阵列的几个重要技术参数：①开路电压（Uoc）：在某一光照强度和温度下光伏阵列开路工作时的输出电压；②短路电流（Isc）：在某一光照强度和温度下光伏阵列短路工作时的输出电流；③最大功率点电压（Umpp）：在某一光照强度和温度下光伏阵列达到最大功率点工作时的输出电压；④最大功率点电流（Impp）：在某一光照强度和温度下光伏阵列达到最大功率点工作时的输出电流；⑤最大功率点功率（Pmpp）：在某一光照强度和温度下光伏阵列达到最大功率点工作时的输出功率，即Pmpp=Umpp*Impp。.因为太阳能电池的并联电阻Rsh主要由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的P-N结漏电阻和电池边缘的漏电阻等组成，一般为几千欧姆，其通过的电流Ish远远小于光电流，故可忽略不计。在标准测试条件下，T=298K，即25摄氏度。其中，那么在标准条件下（即T=298K，=1000）可以得到Iph=IscR因此可以简化为下面可以令如果说我想要一个开路电压为210V，短路电流为2.5A，最大功率点处电压为170V，最大功率点处电流为2.35A，最大功率400W，那我可以计算出的结果为那么，其中，又因为那么（Kt就是温度补偿系数，是一个比较小的值，一般是0.002左右。）那么就可以得到以下matlab数学模型：2.4光伏组件的仿真测试对于搭建的数学模型，检测是否正确，可以用一下测试电路来检验：其中，ControlledVoltageSource为受控电压源，我增加一个ramp斜波信号，变化斜率为1000，仿真0.3s，对应的电压为1000*0.3=300V，那么就可以看到不同电压下光伏输出电流和输出功率，如下：第一条波形为不同电压下的光伏输出电流；第二条波形为前面所说变化斜率为1000的电压；第三条波形为不同电压下的光伏输出功率。可以很容易看到开路电压为210V，短路电流为2.5A，最大功率点处电压为170V，最大功率点处电流为2.35A，最大功率400W，所以模型完全正确。同时也不难发现，理想条件下，光伏电池的输出电压与输出电流以及输出电压与输出功率之间的关系。如下图所示：输出电压-输出电流的关系输出电压-输出电流的关系输出电压-输出功率的关系第三章一种光伏组件安全快速关断装置的设计3.1设计背景光伏组件通常情况下连接在逆变器与电网中间，一旦光伏电站发生火灾灾难或者其他意外危险发生，技术安全人员最先要做的事情就是断开光伏组件，但是事实上光伏组件大多数都是安装在屋顶，所以一般情况下很难做到及时地快速地断开光伏组件，因此这样一种光伏组件安全快速关断装置由此产生。本人经查阅资料发现，目前已经研究设计出来的光伏组件安全快速关断装置主要是使用直流接触器或者直流继电器与交流电源开关组合的方式，简单来说就是通过电网供电控制直流接触器，这样直接控制光伏组件的导通和关断。比如专利申请号201720603595.9，就提供了一种光伏组件快速关断装置及光伏发电系统，采用驱动电路控制同时并联连接于光伏组件输出回路的至少两个开关管，当需要关断光伏组件的输出时，各个开关管均可响应，进而关断相应光伏组件的输出；当光伏组件需要正常输出时，即便其中一个开关管由于门极过压而导致损坏，还可以通过并联连接的其他开关管实现光伏组件电能的正常输出，各个开关管互为冗余，保证了光伏组件电能的正常输出，避免了系统发电量的损失。专利申请号201710114498.8介绍了一种太阳能高速度关闭装置和太阳能系统，装置是这样的:第一个开关，第二个开关，辅助电路，控制电路和通信电路；将多个太阳能电池板中的一个太阳能电池板做成电光板，太阳能电池板的输出端连接到辅助源的输入部分；第一个开关连接在太阳能电池板及与太阳能电池板相接的太阳能电池板之间。第二段的两端分别连接好几个太阳能电池板，然后把输出正极和输出负极连接起来。将电路二极管连接到阴极，连接光电元件的低压部分，将电路二极管连接到阳极的低压部分，通信线路接受从外部发出的关闭命令的同时，将关闭命令发送到控制电路。控制电路在接到关闭命令时，用于控制的第一个开关被切断或第二个开关被关闭。降低成本，降低能源消耗，提高效率。专利申请号201721225093.3提供了一种多组件级快速关断装置，光伏系统采用光伏组件串控制与之相连的光伏组件串。光伏组件串包括串联的多个光伏组件。该多元件级快速关断装置包括微控制器、通信单元、驱动电路、辅助电源、开关单元和输出旁路二极管。微控制器与通信单元进行通信并控制驱动电路，通信单元用于传输关断与开通指令，驱动电路接收微控制器指令从而驱动开关单元关断与开通光伏组件串，开通时光伏组件串中的所有光伏组件均为辅助电源供电，从而平衡所有光伏组件对辅助电源的供电提高发电量。专利申请号201710422842.x一种应用于光伏发电的快速关断系统，涉及光伏发电领域，尤其涉及一种应用于光伏发电的快速关断系统。具有高安全性和可靠性。串接于光伏组件阵列中，包括快速关断光伏接线盒，所述光伏组件阵列包括若干光伏组件，若干所述光伏组件串联连接后经由汇流/逆变箱输送至交流电网，交流电网和汇流/逆变箱之间设有交流配电系统，相邻的所述光伏组件之间串接快速关断光伏接线盒，用于关断光伏组件；所述交流配电系统包括主闸和副闸，所述主闸设于交流电网和汇流/逆变箱之间，所述副闸包括电源变换器、手动开关和自动开关，所述自动开关和手动开关分别连接电源变换器，所述电源变换器连接快速关断光伏接线盒。从整体上具有安全性高、稳定性好的优点。专利申请号201810675114.4设计了一种用于光伏发电系统的快速关断装置，其中光伏发电系统包含逆变器以及串联连接的多个光伏组件，快速关断装置包含:开关电路，开关电路包含第一开关以及第二开关，第一开关的第一端电性连接至多个光伏组件中的第一光伏组件的正极端，第一开关的第二端电性连接至多个光伏组件中的第二光伏组件的负极端，第二开关的第一端电性连接至第一光伏组件的负极端；通信电路，电性连接至控制电路并与逆变器相通信，用于接收来自逆变器所发出的指令信号，并将指令信号发送给控制电路；控制电路，电性连接至第一开关和第二开关，用于根据指令信号控制第一开关以及第二开关断开或闭合；以及辅助电源电路，用于向快速关断装置提供电能。专利申请号申请号201821214214.9公开了一种可快速关断的光伏组件接线盒，接线盒的印刷电路板上，输入端的正极和输出端的正极之间、输入端的负极和输出端的负极之间，设置一个或两个MOSFET作为接线盒开通或关断的执行器件；由电感器、电容器构成的串联谐振电路，用于接收外部施加的高频信号；由二极管和电容器构成的倍压整流电路，将串联谐振电路中电感器谐振电压，以无源方式变换成MOSFET的驱动电压。其中省略了独立电源以及MOSPFET有源驱动电路，简化了可快速关断的光伏组件接线盒的控制电路，所使用电子器件简单、数量明显降低，由此随之而带来产品成本显著下降，可靠性和寿命显著提升的有益效果。再如专利申请号201880000852.7，一种光伏组件阵列关断系统，用于对光伏组件阵列进行关断控制，包括关断控制器和复数个关断装置，关断装置具有第一连接端和第二连接端，关断装置通过第一连接端与光伏组件串联于直流母线之间，并且每个关断装置位于相邻光伏组件之间，关断装置通过第二连接端与关断控制器形成串联，关断控制器在预设条件下控制电路内的所有关断装置同时开启或关断以控制光伏组件电路的连通或断开。该关断系统能够自动实现系统中每个组件的快速安全关断，以保证人员安全。3.2设计思路及存在的问题困扰根据上述的设计背景可以了解到，这些快速关断装置确实可以实现安全、有效地关断组件的作用，但是存在两个问题：一是安装难度大，上述的方法基本上都存在至少2个或者及以上的部件且体积比较大，所以安装存在一定的难度。二是上述部分采用的是直流接触器或者直流继电器，这样价格成本高。所以我想采用交流继电器，因为他的价格相对直流继电器比较低，但是存在一个问题，交流继电器在直流状态下通断会产生拉弧现象。（什么是拉弧现象？拉弧现象是由于其控制电路存在感性负载，因为电感的电流不会突变，开关断开瞬间，电磁能量需要靠断点产生自感高压来击穿空气维持电流，从而产生电弧，通过电弧的热能来释放能量。）3.3关断装置框图及实施方式图3.1一种光伏组件安全快速关断装置框图图3.1一种光伏组件安全快速关断装置框图图3.1附图说明：-光伏组件；2--逆变器；3--时序控制电路；4--电网；5--辅助电源如图3.1所示，这种光伏组件快速关断装置安装在光伏组件和逆变器中间，由电网供电，大致实施方式是：在光伏组件和逆变器之间用一个IGBT与常闭交流继电器连接，其中，利用时序控电路去控制IGBT和K1、K2两个触点的常闭交流继电器关断顺序，分别给出IGBT驱动信号G1，或给常闭交流继电器驱动信号I0；当有电网输入时，时序控制电路保证常闭交流继电器先IGBT导通；当关断电网时，常闭交流继电器后于IGB关断。这样可以保证常闭交流继电器在无直流电流情况下开关，不会出现拉弧现象。据上所述，这种光伏组件安全快速关断装置，其主要特征在于：在电网输入时，保证常闭交流继电器在IGBT前导通；关断电网输入时，保证IGBT在常闭交流继电器之后关断。该关断装置的优越性：1、该关断装置解决了交流继电器拉弧问题，可避免使用成本高出十几甚至二十多倍的直流继电器或直流接触器，成本可大幅下降；2、该关断装置所占空间小，方便安装和拆卸；3、该关断装置能够安全、快速关断光伏组件，只要安全人员关闭电网，就可以达到关断组件与逆变器以及电网直接的目的，从而起到电气隔离的作用。光伏组件安全快速关断装置的原理图及仿真分析4.1关断装置的工作原理及时序控制电路原理图4.1.1时序控制电路原理图图4.1时序控制电路原理图图4.1时序控制电路原理图基本结构：时序控制电路包括电压比较器U1A和R3构成的电压比较电路；光电耦合器U2和R8组成IGBT开关电路；比较器U1B和R1、R2构成常闭交流继电器的开关电路；R6和C1以及二极管D1构成延时电路。器件选型：①这里选择电压比较器LM393DR2G，因为它的结构简单，当“+”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“+”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平，切换速度快，延迟时间小。②这里选择4针光电晶体管光耦，光电耦合器以光为媒介传输信号，所以对输入输出信号有着良好的隔离作用，因此，光耦有着良好的电绝缘能力和抗干扰能力；工作稳定，使用寿命长；传输效率高，光电耦合器的响应速度通常打到毫秒甚至微秒级。4.1.2关断装置工作原理图4.1时序控制电路中，+5V、+12V为同一个电源产生，V1为一个递增的电压，至额定16V。①当电源V1开始上升，首先IO信号为低电平，常闭交流继电器导通。当电源V1继续上升至11.5V时，比较器U1A输出一个高电平，经上拉电阻R4获得一个12V的电压，这时一部分经过光耦使G1驱动信号上拉为高电平，因此输出信号导通IGBT，另一部分经过R6、C1组成的延时电路对电容进行充电。这样就保证了常闭交流继电器先导通，IGBT后导通。②当电源V1下降时（V1仍然大于12V），比较器U1A输出一个低电平，此时光耦输入端无驱动电流产生，则光耦不工作，在失去了G1驱动信号后，IGBT快速关断；而此时电容C1开始放电，二极管D1单向导通与R6构成一个回路，待放电结束，回路依然输出一个低电平，与R1经比较器U1B输出高电平，在上拉电阻R2的驱动下，IO驱动信号为高电平，则常闭继电器断开。这样就保证了IGBT先关断，常闭继电器后关断。4.2光伏组件快速关断的MATLAB/Simulink仿真4.2.1关断装置的仿真模型根据上述设计的电路原理图以及该关断装置的设计思路，在MATLAB/Simulink中搭建模型，以此来判断该光伏组件安全快速关断装置的可行性。模型如下：（该关断装置的模型是建立在第二章的理想光伏组件模型的基础上进行搭建的）模型搭建的难点：该光伏组件快速关断装置的仿真模型在搭建时的难点就在于：①如何在模型中表现出IGBT和常闭交流继电器的导通顺序以及关断顺序。②如何体现出该关断装置在光伏组件出现故障（短路、断路等等）时能够有效地关断。不难看出，这里对于G1和I0的输入信号在搭建模型时，我采用Simulink中的sum模块，利用该模块可以对多端口输入的控制通过指定的运算然后给出输出信号，这样可以简单高效地去控制常闭交流继电器和IGBT的导通与关断的时间节点。这样，就可以解决了对IGBT和常闭交流继电器的控制顺序的难点。另外，在Simulink中使用breaker模块（通常说的断路器）来模拟常闭交流继电器的导通与关断状态，断路器模块实现了开闭时间由外部Simulink信号(外部控制模式)或内部控制定时器(内部控制模式)可控的电路断路器。要注意的是当一系列R-C缓冲电路包含在模型中，它可以连接到断路器。如果发生断路器模块串联一个电感电路、一个开路或一个电流源，你必须使用一个缓冲电路。当断路器块被设置在外部控制模式下，模块图标上出现的Simulink输入端。同时连接到Simulink的输入端控制信号必须是0或1。模型搭建的思路：如上述模型所示，使用Step5、Step6两个阶跃信号作为输入给IGBT驱动信号。其中，Step5设置的初始值是0，阶跃后的值为1，发生阶跃的时间为0.2秒；Step5设置的初始值是0，阶跃后的值为1，发生阶跃的时间为0.8秒。那么易得，在0-0.2秒内，IGBT的输入信号为0；在0.2s-0.8s内，IGBT的输入信号为1；在0.8s-1s内，IGBT的输入信号再次变为0。如上述模型所示，使用Step阶跃信号作为输入给两个断路器驱动信号。其中，Step设置的初始值是1，阶跃后的值为0，发生阶跃的时间为1秒。那么，在0-1s内，断路器的输入信号为1，1s后变为0。综上所述，在0-0.2s内IGBT的输入信号为0，断路器的输入信号为1，所以在0-0.2s内断路器导通；在0.2s-0.8s内，IGBT和断路器的输入信号都为1，此时IGBT和断路器都处于导通状态，这样就保证了该光伏组件快速关断装置在接入电网时，常闭交流继电器在IGBT之前导通的设计理念。同样地，维持0.6s的导通时间后，在0.8s-1s内IGBT的输入信号变为0，而此时断路器的输入信号仍然为1，那么就保证了关断电网时，IGBT在常闭交流继电器之前关断的设计理念。所以，以上的仿真模型可以验证该光伏组件安全快速关断装置的可靠性。4.2.2快速关断装置的仿真测试根据以上的仿真模型，可以得到以下输出波形：第一条波形为随时间变化的电流输出曲线；第二条波形为随时间变化的电压输出曲线；第二条波形为随时间变化的功率输出曲线；从上述仿真波形中不难看出，刚开始光伏电池因为光照、温度等条件产生一个210V左右的开路电压，在最初导通时，因为电容处于充电过程，待光伏组件供电电压和电容中的电压达到平衡时，如上波形图可见此时给负载断提供一个50V的电压和2.5A的电流以供电，此时功率变为恒定。而后通过该快速关断装置，易得电压恢复为之前的开路电压210V，而此时的电流为0A，所以光伏组件输出功率也变为0，符合实际情况。综上仿真模型及测试波形可知，该光伏组件安全快速关断装置在实施关断过程中，确实安全可靠。总结与展望5.1论文工作总结众所周知，能源是社会进步和发展的基石。化石燃料例如石油、煤炭、天然气等在地球上的储存量是有限的，都是不可再生能源，并且这些化石燃料的燃烧会产生大量的污染物例如粉尘、CO2、SO2、H2S、NOx等，严重危害着我们的生存环境。全球环境问题日益严重，中国的环境形势也不容乐观，近年来每到秋冬季节“雾霾(PM2.5)”就长居各大媒体头条，严重影响了人民的生活质量。作为新能源和可再生能源的重要代表，太阳能的重要性显而易见。光伏发电是太阳能的主要应用方式之一，在各种生产和生活领域都得到了极为广泛地使用和发展。同时，随着光伏电站的发展，光伏安全问题现如今已经显得尤为重要，每年都有大量的光伏安全事故发生，这导致了一定程度的危害，无论是财产安全，还是人身安全，都会受到威胁。因此，设计一种光伏组件安全快速关断装置，在故障发生时，能够自主地，迅速地，安全地关断光伏组件再配合安全人员地检修，不仅可以保障光伏发电站的安全运行，而且能够大大提高光伏发电站的故障维修效率。本文在现阶段国内外针对于光伏安全问题的研究成果的基础上，设计了一种光伏组件安全快速关断装置。完成的主要工作如下:通过查阅国内外相关的文献资料和相关新闻期刊，了解了光伏组件的应用和光伏产业在安全方面的国内外发展现状，学习了光伏太阳能电池的发电原理，以及了解了光伏组件常见的几种故障类型。通过对太阳能电池板的特性的了解，在MATLAB/Simulink对单个光伏电池进行数学建模和仿真测试，得到了理论情况下的电压电流输出特性曲线。搜集了近三年的光伏组件安全快速关断装置的相关研究专利，筛选了几篇作详细了解，了解该装置当前的设计背景，构建自己的设计